微生物与线虫的长期互动：揭示自然微生物群落诱导线虫滞育的新机制

《mSystems 5.0》：Interspecies relationships of natural amoebae and bacteria with C. elegans create environments propitious for multigenerational diapause

本研究揭示了自然微生物群落诱导线虫滞育（DaFNE）的分子机制，强调了RNA干扰通路在其中的关键作用。

　　在微观世界中，微生物与线虫等微小生物之间的相互作用构成了生态系统的基础。然而，这些生物如何在自然环境中相互协作以维持其生态位的稳定性，尤其是它们之间的长期互动如何影响行为，仍是一个未解之谜。本研究通过构建一个包含细菌、变形虫和线虫的长期共培养框架，揭示了自然微生物群落诱导线虫滞育（Dauer Formation on Naturally derived Ensembles，DaFNE）的全新现象及其分子机制。

研究团队从温带半干旱气候的土壤样本中分离出可培养的细菌属，包括Comamonas、Stenotrophomonas、Chryseobacterium和Rhodococcus，以及变形虫Tetramitus，并将其喂养给线虫Caenorhabditis elegans，进行了跨越20代线虫的长期实验，以评估其发育速率、滞育进入、繁殖力和摄食行为。研究发现，在这些微生物群落中，线虫和微生物能够创造一个稳定的环境，其中没有任何物种被耗尽，并且线虫在几代之后进入滞育状态。这种现象被命名为DaFNE，它在15°C到25°C的最优温度范围内发生，并且依赖于线虫的信息素生物合成途径。随着代数的增加，DaFNE现象逐渐增强，表现出强烈的代际和跨代效应。此外，RNA干扰（RNAi）通路——无论是系统性的还是细胞自主性的——对于启动DaFNE至关重要，而可遗传的RNAi效应因子则是其跨代效应所必需的。这些发现表明，RNA介导的通信在自然环境中细菌诱导的行为中发挥着关键作用。

本研究的重要性在于，它揭示了线虫与微生物群落之间复杂的相互作用，尤其是在自然生态系统中，这些相互作用如何影响线虫的行为和生态适应性。线虫是地球上最丰富的多细胞动物，它们与微生物群落之间的成功关系对于生态系统的健康和生物圈的可持续性至关重要。然而，关于线虫行为如何受到复杂生态系统中多种生物相互作用的影响，目前知之甚少。本研究通过长期实验，观察到线虫在自然微生物群落的诱导下进入滞育状态，这一现象可能在自然环境中频繁发生，且与线虫与微生物伙伴之间的通信密切相关。DaFNE现象需要线虫信息素的产生，以及RNA干扰通路的参与，表明线虫与微生物群落之间的RNA通信可能在其中发挥关键作用。此外，研究还发现，在较高温度下，触发DaFNE所需的动物数量减少，这表明温和的温度升高可能在自然环境中促进滞育，而不会对动物造成压力。

在实验方法上，研究团队从自然生态系统中收集土壤样本，并从中分离出可培养的细菌和变形虫。通过将这些微生物喂养给线虫C. elegans，并在长达8周的实验中监测线虫和微生物的生长动态，研究团队发现，尽管总细菌数量在8周内保持稳定，但个别细菌种类每周都会波动。线虫数量在第一周达到60×103个个体，到第八周时减少到300个。值得注意的是，第二代线虫在第一周就有大量进入滞育状态，尽管资源丰富且没有明显的压力。通过使用携带Pcol-183::dsRed构建的菌株来量化滞育幼虫，研究团队发现，尽管总滞育幼虫和其他阶段的数量在8周内稳步下降，但它们在种群中的比例从10%增加到85%。研究还测试了野生C. elegans分离株JU1171是否也经历DaFNE，结果表明，JU1171线虫在饥饿条件下形成野生型水平的滞育幼虫，并且在与细菌群落共培养时，也表现出与N2动物相当的DaFNE率。

此外，研究还探讨了DaFNE现象的分子机制。研究发现，DaFNE需要完整的微生物群落，而不是仅仅依赖于细菌分泌的代谢物。通过分析线虫肠道中的细菌定植情况，研究发现，在自然微生物群落中，Comamonas是线虫肠道中的主要细菌种类，平均每条线虫有3,000个菌落形成单位（CFU），而Stenotrophomonas和Chryseobacterium的CFU数量较少，分别为140和28。相比之下，当线虫在Rhodococcus单培养中生长时，它们的肠道中平均有102 CFU的Rhodococcus。这表明，尽管Rhodococcus在单培养中能够轻易定植线虫肠道，但在群落中其数量受到限制，这可能与微生物之间的相互作用有关。

研究还发现，不同的细菌种类在维持线虫种群和诱导DaFNE方面存在差异。例如，Comamonas和E. coli OP50在一周内被耗尽，导致非滞育动物数量分别降至67,000和13,000。而Chryseobacterium和Rhodococcus单培养能够持续8周以上，分别支持超过2,000和300个线虫个体。此外，研究还观察到，在Rhodococcus单培养中，滞育幼虫的形成在第一周就开始，而Chryseobacterium在第二周开始诱导滞育，并在整个实验期间持续存在。

在研究线虫繁殖能力时，研究发现，在微生物群落中培养的线虫平均产下100个活后代，与在E. coli OP50上培养的线虫相当。然而，与单培养相比，群落中的线虫在子宫内的胚胎数量显著减少，但成熟胚胎的比例更高。这些结果表明，线虫的繁殖能力在自然微生物群落中受到一定程度的限制，这可能是线虫避免资源耗尽的一种策略。

此外，研究还发现，线虫会捕食变形虫Tetramitus，但变形虫不会成为线虫肠道微生物群的一部分。通过观察线虫在含有Tetramitus的细菌群落中的摄食行为，研究发现线虫会主动摄食Tetramitus的滋养体，但不会摄食其孢囊。此外，研究还发现，Tetramitus的存在对DaFNE有一定的影响，尽管这种影响相对较小。

温度是影响DaFNE的另一个重要因素。研究发现，随着温度的升高，DaFNE现象的诱导变得更加显著。在25°C下，DaFNE在第一周就开始，且滞育幼虫的比例在第三周达到94%，并一直保持到实验结束。相比之下，在15°C和20°C下，滞育幼虫的比例分别在第八周达到70%和84%。这些结果表明，在自然环境中，温度升高可能会促进线虫种群进入滞育状态，从而提高其在环境变化中的生存能力。

最后，研究还探讨了DaFNE现象的代际效应。研究发现，DaFNE是一个多代效应的响应，随着代数的增加，滞育幼虫的比例逐渐增加。此外，研究还发现，DaFNE具有跨代效应，即在经过两代没有刺激的情况下重新暴露于群落后，滞育幼虫的形成会加速。这些发现表明，DaFNE不仅是一个对当前环境的响应，还具有跨代的遗传记忆。

综上所述，本研究揭示了自然微生物群落诱导线虫滞育的分子机制，强调了RNA干扰通路在其中的关键作用。这一发现不仅增进了我们对线虫与微生物群落之间相互作用的理解，还为研究生态系统的稳定性和生物之间的通信提供了新的视角。未来的研究将进一步探索驱动DaFNE现象的分子信号及其与宿主信号通路的相互作用，以及DaFNE现象在自然环境中的长期适应性和生态意义。